2219铝合金TIG焊接头断裂性能研究

颜 旭 马 核 熊林玉 田志杰 张彦华



2219铝合金TIG焊接头断裂性能研究

颜 旭1马 核1熊林玉2田志杰2张彦华1

（1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191；2. 首都航天机械公司，北京 100076）

研究了2219铝合金TIG焊接头各区域的断裂性能。结果表明：由于接头组织分布不均匀，2219铝合金TIG焊接头母材区、焊缝区和热影响区的断裂强度依次递减；断裂韧性则以焊缝为最高，热影响区次之，母材最低；断裂韧性的分散性以母材为最小，焊缝次之，热影响区最大。

2219铝合金；TIG焊；断裂韧性；CTOD

1 引言

2219铝合金属于Al-Cu-Mn系，是美国铝业公司（Alcoa）为航空航天工业研发的一种高强、耐热铝合金。与同系的2014铝合金相比在低温和高温力学性能、断裂韧性、焊接性能以及抗应力腐蚀性能等方面具有明显的优势，因此在运载火箭贮箱上得到了广泛的应用[1，2]。受贮箱体积和焊接条件的影响，运载火箭贮箱环焊缝以及角焊缝的连接多采用传统TIG焊焊接工艺[3]。焊接过程中焊接区材料经历了不同的焊接热循环，接头会形成焊缝和热影响区等不同区域，因此焊接接头为非均匀质体，各个区域的性能也存在很大的差异，接头各区域性能的差异对接头的断裂与失效具有重要的影响[4，5]。

为了评定铝合金材料制造的燃料贮箱壳体由于焊接过程中造成的接头不均匀性对接头抗断裂性能的影响，需要采用断裂力学试验方法研究接头各区域的断裂韧性，以此指导贮箱的选材与焊接工艺，保证贮箱结构的韧性储备。本研究重点研究了2219铝合金TIG焊接接头的抗断裂性能，研究结果对于运载火箭贮箱焊接结构的断裂控制具有参考价值。

2 焊件制备及组织和硬度分析

2.1 焊件制备

试验采用8mm厚的2219铝合金试板，其化学成分如表1所示[6]。焊接工艺参数为：直流打底，直流电流260～270A，电压17～18V，焊接速度为250mm/min；交流盖面，交流电流310～320A，电压21～22V，焊接速度为130mm/min。焊后热处理状态为C10S。

表1 2219铝合金化学成份 wt%

2.2 接头微观组织

焊件制备后，沿垂直于焊接方向切取接头横截面试样，经研磨、抛光后，采用Keller’s试剂对接头腐蚀，观察接头各区域分布及微观组织。

TIG焊接头纵向剖面区域主要分为焊缝区、热影响区及母材区，微观组织如图1所示。母材区域晶粒组织为板条状，分布均匀，延轧制方向生长。热影响区晶粒呈柱状，尺寸较粗大且不均匀，并沿轧制方向生长。熔合线区域晶粒呈细小等轴状，但熔合线两侧晶粒迅速长大，过渡不均匀。焊缝中心区晶粒呈细小枝状晶，有方向性但排列呈无序状态。

a 母材区       b 熔合线区

c 焊缝区        d 热影响区

e 微观组织取样分布

2.3 接头硬度分布

硬度用来表征金属材料抵抗局部塑性变形能力，主要评价金属材料的软硬程度[7]。根据GB/T2654—2008《焊接接头硬度试验方法》规定，沿焊缝中心位置从上至下测量一组硬度值，沿焊缝厚度方向测量三组硬度值，测量位置如图2所示。

图2 显微硬度测量位置示意图

使用HV-1000显微硬度计测量硬度，试验力为9.807N，试验力保持时间为10s，测量点之间的距离为1mm，测量结果如图3所示。

a 沿接头厚度方向硬度分布

b 沿接头横向硬度分布

图3 TIG焊接头显微硬度分布

图3为图2中所示1、2、3、4四条线位置的硬度测量结果。焊缝中心的硬度值分布在75～81HV之间，沿厚度方向两端硬度值略高于中间位置（图3a）。从接头横向硬度分布来看，2219铝合金母材的硬度值在87～95HV之间，焊缝区域的硬度在73～85HV之间，焊缝区域的硬度低于母材；焊接热影响区的硬度值与母材区域的硬度值接近，在87～97HV之间，局部出现小幅度软化现象。

3 接头断裂韧性试验

图4 CTOD试验原理图

为了研究2219铝合金TIG焊接头各区域的断裂性能，采用CTOD实验方法。CTOD（Crack Tip Opening Displacement）是裂纹尖端张开位移量[8]，是评价材料及焊接接头抗裂纹启裂的重要参量。CTOD断裂准则是建立在综合性参数基础上的，原则上既能应用于线弹性断裂分析，又能应用于弹塑性断裂分析。临界CTOD值可通过断裂韧性试验获得，可采用含预制裂纹的三点弯曲试件进行试验，如图4所示。通过断裂韧性试验测得曲线，根据GB/T2358—94确定曲线类型与临界值，进而计算CTOD的临界值，计算公式为[9]：

（2）

本次断裂韧性试验采用带预制裂纹的单边缺口三点弯曲试样，试验在常温下进行。为更好地分析接头各个区域的断裂韧性，分别制备焊缝区、1/2热影响区、热影响区、母材区试样。取样位置如图5所示。取样后分别在焊缝区、1/2热影响区、热影响区三个区域选取预制裂纹的位置a、b、c，如图6所示，a位于焊缝中心处，b位于1/2热影响区处，跨越焊缝、热影响区与母材，c位于热影响区外侧，跨越热影响区与母材。

图5 CTOD试验取样示意图

图6 预制裂纹位置示意图

a 焊缝区       b 1/2热影响区

c 热影响区       d 母材区

图7 TIG焊接头各区域CTOD试验断裂试样

按照国标GB/T2358—94 《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》进行试样加工，尺寸为90mm×14mm×7mm，跨距为56mm。试验在MTS-880液压伺服试验系统进行。2219铝合金TIG焊各区域CTOD试验完成后的断裂试样如图7所示。试验得到的各区域曲线如图8所示。

a 焊缝区域              b 1/2热影响区

c 热影响区              d 母材区

图8 TIG焊各区域-曲线

4 分析与讨论

通过2219铝合金TIG焊接头各个区域的曲线可知，各曲线无明显突进点与突变点，可从曲线中得到最大加载力点的值m，进而计算最大载荷所对应的临界CTOD值。各区域试样平均最大载荷值m与如表2所示。

表2 不同区域最大载荷Pm与δm平均值

如图9所示，曲线中不同区域试样所达到的m不同，从母材区、焊缝区、1/2热影响区至热影响区，m值从高到低递减，反映了母材区、焊缝区、1/2热影响区至热影响区材料的断裂强度依次递减。

图9 TIG焊各区域Pm柱状图

图10 TIG焊各区域值柱状图

图11 TIG焊各区域值散点图

综上研究表明，2219铝合金TIG焊接头的微观组织、硬度及断裂韧性均呈现不均匀性。母材区晶粒呈板条状，硬度与m最高，值最低，即母材强度高，韧性低；焊缝区晶粒细小，呈针状，组织致密且排列不均匀，硬度最低，m值介于母材和热影响区之间，值最高，其韧性最好；1/2热影响区与热影响区组织粗大且不均匀，但熔合区晶粒细小且等轴，热影响区局部出现硬化和软化现象，m值与值介于母材和焊缝区之间且离散性较大。

5 结束语

a. 2219铝合金TIG焊接头中焊缝区域硬度值最低，约为母材的80%；熔合区组织分布不均匀，硬度值出现突变，热影响区局部出现小幅度软化。

b. 2219铝合金TIG焊接头不同区域的断裂强度依次为：母材区>焊缝区>热影响区。断裂韧性依次为：焊缝区>热影响区>母材区。

c. 2219铝合金母材的临界CTOD值分散性最小，焊缝区临界CTOD值的分散性较小，热影响区CTOD值分散性最大，即母材的组织性能最均匀，焊缝区的组织性能较均匀，热影响区的组织性能最不均匀。

1 王祝堂. 长征五号火箭燃料箱铝合金打造[J]. 有色金属加工，2017，46(2)：6～9

2 姚君山，周万盛，王国庆，等. 航天贮箱结构材料及其焊接技术的发展[J]. 航天制造技术，2002(5)：21～26

3 张勤练，李钊，杨春利，等. 铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制[J]. 焊接学报，2017，38(2)：28～32

4 王国庆，熊林玉，田志杰，等. 不同热处理状态2219铝合金TIG焊接头组织性能分析[J]. 焊接学报，2017，38(1)：121～124

5 Rajakumar S, Christopher T. Fracture strength of centre surface cracked tensile specimens made of 2219-T87 Al alloy welding[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(12): 2568～2575

6 王祝堂，田荣璋. 铝合金及其加工手册[M]. 长沙：中南大学出版社，2000

7 邱宇. 风塔用中厚钢板热处理工艺以及CTOD断裂韧性研究[D]. 南京理工大学，2013

8 Zhu X K, Joyce J A. Review of fracture toughness (G, K, J, CTOD, CTOA) testing and standardization[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2012, 85: 1～46

9 张彦华. 焊接结构原理[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011

Fracture Property of 2219 Aluminum Alloy Joint by TIG Welding

Yan Xu1Ma He1Xiong Linyu2Tian Zhijie2Zhang Yanhua1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191; 2. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

In this paper, the fracture property for TIG welded joints of 2219 aluminum alloy is studied. The results indicated that the inhomogeneity of the microstructure of the joints lead the fracture strength of the welded joints descending orderly from the base metal(BM), the weld zone(WZ), to the heat-affected zone(HAZ). The fracture toughness of the welded joints descends orderly from the WZ, the HAZ, to the BM. And the dispersion of fracture toughness descends orderly from the HAZ, the WZ, to the BM.

2219 aluminum alloy；TIG welding；fracture toughness；CTOD

国防基础科研资助项目（JCKY2014203A001）、民用航天预研资助项目（科工一司[2014] 618号）。

颜旭（1992），硕士，机械工程专业；研究方向：焊接结构完整性与断裂控制。

2017-07-17